[논문 리뷰] Complementary structural and functional abnormalities to localise epileptogenic tissue

Jonathan Horsley, Rhys H. Thomas외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 06.

Advanced Neuroimaging Techniques and ApplicationsMedicine인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 약물 내성 국소 간질에서 확산-weighted MRI(dMRI)로 유도된 구조적 연결성 이상과 임상적 뇌전도측정(iEEG)으로 유도된 기능적 이상을 결합함으로써 간질의 기원 부위를 더 정확히 국소화할 수 있음을 보여준다. 두 모odalities에서 가장 심한 이상 부위를 절제한 환자에서 발작 자유도가 15배 향상되었으며(p=0.008), 두 모달리티의 이상을 통합한 의사결정수형은 43명의 환자 중 84%에서 수술 결과를 정확히 예측하였다. 이는 수술 전 계획 수립에 있어 상호보완적인 가치를 지닌다.

ABSTRACT

When investigating suitability for surgery, people with drug-refractory focal epilepsy may have intracranial EEG (iEEG) electrodes implanted to localise seizure onset. Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) may be acquired to identify key white matter tracts for surgical avoidance. Here, we investigate whether structural connectivity abnormalities, inferred from dMRI, may be used in conjunction with functional iEEG abnormalities to aid localisation and resection of the epileptogenic zone (EZ), and improve surgical outcomes in epilepsy. We retrospectively investigated data from 43 patients with epilepsy who had surgery following iEEG. Twenty five patients (58%) were free from disabling seizures (ILAE 1 or 2) at one year. For all patients, T1-weighted and diffusion-weighted MRIs were acquired prior to iEEG implantation. Interictal iEEG functional, and dMRI structural connectivity abnormalities were quantified by comparison to a normative map and healthy controls respectively. First, we explored whether the resection of maximal (dMRI and iEEG) abnormalities related to improved surgical outcomes. Second, we investigated whether the modalities provided complementary information for improved prediction of surgical outcome. Third, we suggest how dMRI abnormalities may be useful to inform the placement of iEEG electrodes as part of the pre-surgical evaluation using a patient case study. Seizure freedom was 15 times more likely in those patients with resection of maximal dMRI and iEEG abnormalities (p=0.008). Both modalities were separately able to distinguish patient outcome groups and when combined, a decision tree correctly separated 36 out of 43 (84%) patients based on surgical outcome. Structural dMRI could be used in pre-surgical evaluations, particularly when localisation of the EZ is uncertain, to inform personalised iEEG implantation and resection.

연구 동기 및 목표

• 약물 내성 국소 간질에서 dMRI로 유도된 구조적 연결성 이상이 iEEG로 유도된 기능적 이상과 함께 간질의 기원 부위를 국소화하는 데 어떻게 보완적인 역할을 하는지 조사하기 위해.
• dMRI와 iEEG 이상을 통합할 경우, 단독으로 각각의 모달리티를 사용하는 것보다 수술 결과 예측 능력이 향상되는지 평가하기 위해.
• 수술 전 평가 기간 동안 개인 맞춤형 iEEG 전극 배치를 안내하는 데 dMRI가 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• iEEG 식별 이전 43명의 간질 환자에서 T1-weighted 및 확산-weighted MRI 데이터를 바탕으로 한 후향적 분석.
• 건강한 대조군에서 유도된 정상 기준 dMRI 지도를 사용하여 구조적 연결성 이상을 정량화.
• 이차적 iEEG 데이터를 정상 기능 지도와 비교하여 기능적 iEEG 이상을 정량화.
• dMRI 및 iEEG 이상을 통합한 의사결정수형 모델을 수술 결과(1년 후 발작 자유도)를 예측하기 위해 구축.
• dMRI 및 iEEG 이상의 절제 범위와 수술 결과 간의 상관관계 분석.
• 환자 사례 연구를 통해 dMRI 이상이 iEEG 전극 배치를 보다 정교하게 국소화하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 설명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최대 구조적(dMRI) 및 기능적(iEEG) 이상을 절제할 경우 간질 수술 결과가 향상되는가?
• RQ2 dMRI 및 iEEG 이상은 발작 자유도 예측에 서로 보완적인 정보를 제공하는가?
• RQ3 EZ 국소화가 불확실한 경우, dMRI로 유도된 구조적 연결성 이상은 최적의 iEEG 전극 배치를 안내하는 데 유용한가?

주요 결과

• 최대 dMRI 및 iEEG 이상 부위를 절제한 환자에서 발작 자유도가 15배 높아졌다(p=0.008).
• dMRI 및 iEEG 이상은 각각 발작 자유도 그룹과 비발작 자유도 그룹을 구분하는 데 성공하였다.
• 통합 의사결정수형 모델은 두 모달리티의 데이터를 기반으로 43명의 환자 중 36명(84%)을 수술 결과에 대해 정확히 분류하였다.
• dMRI 이상은 EZ 국소화가 불확실한 경우 특히 유용한 독립적 정보를 제공하여 수술 전 계획 수립에 기여하였다.
• dMRI 및 iEEG 데이터의 융합은 각각의 모달리티만 사용할 경우보다 예측 정확도를 향상시켰다.
• 사례 연구를 통해 dMRI 이상이 간질의 기원 부위를 더 정확히 국소화하기 위해 표적화된 iEEG 전극 배치를 안내하는 데 기여할 수 있음을 입증하였다.